(57)【要約】【課題】高い臨界温度特性を持つＭｇＢ2を上部電極および下部電極に用いた積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合を得ることを目的とする。【解決手段】基板上に成膜された二硼化マグネシウム（ＭｇＢ2）からなる下部電極と、該下部電極上に成膜された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁層と、該絶縁層上に成膜されたＭｇＢ2からなる上部電極とを有することを特徴とする積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合であって、下部電極としてＭｇＢ2を成膜するステップと、絶縁層としてＡｌＮを成膜するステップと、上部電極としてＭｇＢ2を成膜するステップとを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属−化合物超伝導層／絶縁層／金属−化合物超伝導層の積層構造を有する積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合であって、
基板上に成膜された二硼化マグネシウム（ＭｇＢ2）からなる下部電極と、該下部電極上に成膜された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁層と、該絶縁層上に成膜されたＭｇＢ2からなる上部電極とを有することを特徴とする積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合。
【請求項２】
前記下部電極の膜厚が１６０ｎｍであり、前記絶縁層の膜厚が０．０８〜０．２８ｎｍであり、前期上部電極の膜厚が４０ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合。
【請求項３】
金属−化合物超伝導層／絶縁層／金属−化合物超伝導層の積層構造を有する積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合方法であって、
下部電極としてＭｇＢ2を成膜するステップと、絶縁層としてＡｌＮを成膜するステップと、上部電極としてＭｇＢ2を成膜するステップとを備えることを特徴とする積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合方法。
【請求項４】
前記下部電極と、前記絶縁層と、前記上部電極とをスパッタにより成膜することを特徴とする請求項３記載の積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合方法。
【請求項５】
前記上部電極上に保護層として窒化ニオブ（ＮｂＮ）を成膜したことを特徴とする請求項３記載の積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合方法。
【請求項６】
前記スパッタは同一真空中で行うことを特徴とする請求項３記載の積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合方法。
【請求項７】
前記絶縁層であるＡｌＮを室温にて成膜したことを特徴とする請求項３記載の積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属−化合物超伝導層／絶縁層／金属−化合物超伝導層の積層構造を有する積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合および積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超伝導物質ＭｇＢ2は、金属‐化合物系超伝導体として最も高い臨界温度（Ｔｃ＝３９Ｋ）を示していること、また常伝導抵抗率（数μΩ）や磁場侵入長（１００ｎｍ程度）が小さく、コヒーレンス長（数ｎｍ）が比較的長いことから、超伝導物質の研究分野のみならず線材やエレクトロニクスの応用分野においても大きな関心と期待が寄せられている。
【０００３】
現在、ＭｇＢ2薄膜作製法の主流は、室温でＭｇとＢ、あるいはＢをレーザ蒸着や電子ビーム蒸着などの方法で成膜して、Ｍｇ雰囲気中で高温（数１００℃〜１０００℃）のアニールを行い、３９Ｋの超伝導臨界温度を有するＭｇＢ2薄膜を得る。しかし、この方法は数１００℃を超える高温のアニールを必要とするため、低温プロセスを必要とするジョセフソン接合技術やデバイス開発などの積層薄膜の作製技術において大きな困難をもたらしている。
【０００４】
また、エッチングプロセスにおいて、従来、金属−化合物超伝導デバイスプロセスによく用いられていた反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）は、Ｍｇと反応するガスが見つかっていないため、ＭｇＢ2接合の作製プロセスに導入することが出来ない。したがって、ＭｇＢ2は金属−化合物超伝導材料でありながら、従来とは異なるデバイス作製技術が必要とされている。
【０００５】
近年、スパッタリング方法を用いてサファイア基板上にＭｇとＢとを同時蒸着させることにより高温アニールを行うことなく、超伝導特性を持つＭｇＢ2薄膜を低い基板温度（＜３００℃）で低温合成する方法が開示された（例えば、非特許文献１）。超伝導の臨界温度（Ｔｃ＝２７Ｋ）こそバルク状のＭｇＢ2や高温アニールしたＭｇＢ2薄膜より低いが、３００℃以下の低い基板温度で成膜したこと、薄膜の表面が非常に平坦であることは、積層薄膜やトンネル接合などの実現を可能とするものであり大きな期待がもたれている。
【０００６】
【非特許文献１】A. Saito, A. Kawakami, H. Shimakage, and Z. Wang,  "As-Grown Deposition of Superconducting MgB2 Thin Films by Multiple-Target Sputtering System," Jpn. J. Appl. Pys., vol.41, Part 2, no.2A, pp. L127-L129, Feb. 2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記課題を克服し、高い臨界温度特性を持つＭｇＢ2を上部電極および下部電極に用いた積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このため請求項１に記載の発明は、金属−化合物超伝導層／絶縁層／金属−化合物超伝導層の積層構造を有する積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合であって、
基板上に成膜された二硼化マグネシウム（ＭｇＢ2）からなる下部電極と、該下部電極上に成膜された窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁層と、該絶縁層上に成膜されたＭｇＢ2からなる上部電極とを有することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合において、前記下部電極の膜厚が１６０ｎｍであり、前記絶縁層の膜厚が０．０８〜０．２８ｎｍであり、前期上部電極の膜厚が４０ｎｍであることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、金属−化合物超伝導層／絶縁層／金属−化合物超伝導層の積層構造を有する積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合方法であって、
下部電極としてＭｇＢ2を成膜するステップと、絶縁層としてＡｌＮを成膜するステップと、上部電極としてＭｇＢ2を成膜するステップとを備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合方法において、前記下部電極と、前記絶縁層と、前記上部電極とをスパッタにより成膜することを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合方法において、前記上部電極上に保護層として窒化ニオブ（ＮｂＮ）を成膜したことを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項３に記載の積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合方法において、前記スパッタは同一真空中で行うことを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、請求項３に記載の積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合方法において、前記絶縁層であるＡｌＮを室温にて成膜したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
高い臨界温度を有するＭｇＢ2を用いた積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合の実現により、広いギャップ電圧、高い電流密度、高い高周波数特性等を持つ良好なジョセフソン素子を得ることができる。
【００１６】
本発明による積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合は、（１）ＭｇＢ2層堆積（２）AｌＮ層堆積（３）ＭｇＢ2層堆積、という一連の工程を経て形成される。この工程においては試料表面を大気中にさらすことなく同一真空中で３層構造が形成できるため界面を清浄に保ったまま接合が形成できる。
【００１７】
また、ＭｇＢ2と同じ六方晶構造を持ちａ軸長の近いＡｌＮ薄膜をバリア層として介することにより面内配向性や結晶性が改善されより良好なジョセフソン接合を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明による積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合は、単結晶サファイア基板上に下部電極にＭｇＢ2、トンネルバリアにＡｌＮ、上部電極にＭｇＢ2を用いたＭｇＢ2／ＡｌＮ／ＭｇＢ2トンネル接合である。エッチングには、フォットリソグラフィと反応性イオンエッチング、ＥＣＲドライエッチング、リフトオフなどを用いる。ＭｇＢ2薄膜を成膜するときの基板温度は、２００〜３００℃の範囲内に設定され、成膜圧力やレートなどの成膜条件に併せて最適化を行う。薄膜の組成比は、Ｍｇ（ＤＣスパッタ）とＢ（ＲＦスパッタ）の放電電力を独立にコントロールすることによって制御されている。
【実施例】
【００１９】
図３は本発明の製造装置であるカルーセルスパッタリング装置の平面図である。符号１は反応室である。符号２は超伝導材料を生成する基板であって、例えばＡｌ2Ｏ3である。符号３はＭｇ（マグネシウム純度９９．９％）のターゲットである。符号４はＢ（ホウ素純度９９．５％）のターゲットである。符号５はアルゴン（Ａｒ）ガスや窒素（Ｎ2）ガスを供給するパイプである。符号６はＡｒガスを供給するパイプである。符号７はイオンビームソースであってＡｒイオンを生成して基板に照射するものである。符号８は予備室であって，反応室１の真空を維持した状態で基板を出し入れするために設けられたものである。符号９はランプヒータであって基板２を加熱するものである。符号１０、符号１１は真空ポンプである。符号１２、符号１３は荒引き用のロータリポンプである。符号１４はＮｂダーゲットである。符号１５はＡｌターゲットである。
【００２０】
基板２は紙面に垂直な方向に延びた板状で基板ホルダＨに保持されている。なお、この例では６枚の基板２が基板ホルダＨに保持されている。基板ホルダＨは６面体の多角形筒型であり各面に基板２が保持され、紙面に垂直方向のホルダ中心軸Ｒを中心に回転する。Ｍｇターゲット３、Ｂターゲット４、Ｎｂターゲット１４、Ａｌターゲット１５は、図３に示すように紙面に垂直な面に保持され、基板２に対向するように配置される。なお、本実施例のカルーセルスパッタ方式とは膜質、膜厚の均一化のため、多角形筒型の基板ホルダが垂直な回転軸の周りを回転しながら薄膜作成を行う、従来スパッタ法の一つの方式である。
【００２１】
次に、本発明の積層型全ＭｇＢ2超伝導薄膜を製造する方法について説明する。反応室１内は、常にロータリポンプ１２とターボ分子ポンプなどの高真空ポンプ１０により１×１０7Ｔｏｒｒ程度の高真空状態に保たれている。基板２を予備室８内でロータリポンプ１３により大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）から１Ｔｏｒｒ程度の真空状態に荒引きした後、高真空ポンプ１１を作動させ１×１０6Ｔｏｒｒ程度の高真空状態にする。その後、基板２はゲートバルブを介して、反応室１に搬送される。
【００２２】
反応室１において、基板２の表面をランプヒータ９によって２９０℃に加熱するとともに、基板ホルダＨをホルダ中心軸Ｒを中心に図中時計回りに５０ｒｐｍで回転させ、Ａｒガスを供給パイプ６より供給し、基板２をイオンビームソース７より放出されるイオンビームによりクリーニングする。このときのイオンビームのパワーは３００Ｖ×１００ｍＡ、クリーニング時間は５分間とする。そして、再び反応室１を高真空状態に排気した後、Ａｒガスを反応室１内に供給パイプ５より供給する。
【００２３】
基板温度２９０℃、前記Ａｒガス雰囲気中で、Ｍｇターゲット３に直流電力３００Ｗ、Ｂターゲット４に交流電力８００Ｗを印加してマグネトロンスパッタを行い、ＭｇＢ2を基板２上に１６０ｎｍの膜厚で成膜する。Ｍｇターゲット３およびＢターゲット４と、基板２との間でＡｒガスが放電しプラズマ状になり、ＡｒイオンがＭｇターゲット３およびＢターゲット４に衝突する。その結果、Ｍｇターゲット３およびＢターゲット４からＡｒイオンのスパッタリングによりＭｇおよびＢの原子もしくはイオンが叩き出され、反応室１においてＭｇとＢが反応してＭｇとＢの化合物が高速で回転している基板２に被着される。あるいは回転している基板２に被着したＭｇとＢが反応しＭｇとＢの化合物が基板２上に生成される。一般にＡｒガス中で放電を行いスパッタ膜を形成する場合、Ａｒは不活性ガスであるからターゲット表面でも化学反応は生じない。膜中に微量のＡｒが混入することはあるが、基本的にターゲットと同じ膜が生成される。
【００２４】
ＭｇＢ2成膜後、再び前記反応室１内を高真空状態するとともに基板を室温まで下げる。Ｎ2ガスを反応室１に供給し５ｍＴｏｒｒの平衡圧力にて、Ａｌターゲット１５に直流２００Ｗを印加してスパッタを開始する。反応室１中のＮ2ガスの構成元素であるＮが、ターゲット元素Ａｌと反応して化合物膜であるＡｌＮ薄膜（ＡｌＮバリア層）が基板２のＭｇＢ2膜上に形成される。
【００２５】
このようにして、基板２にＭｇＢ2、次いでＡｌＮを成膜した後、反応室を高真空状態に排気し、再び、基板温度２９０℃、基板回転５０ｒｐｍ、Ａｒガス５ｍＴｏｒｒ雰囲気中で、Ｍｇターゲット３に直流電力３００Ｗ、Ｂターゲット４に交流電力８００Ｗを印加し、マグネトロンスパッタによりＭｇＢ2を成膜する。このようにして基板２上にはＭｇＢ2／ＡｌＮ／ＭｇＢ2積層膜が形成される。
最後に保護層の役割を果たすＮｂＮをスパッタにより成膜して、図２に示すような積層型全ＭｇＢ2超伝導薄膜を完成する。
【００２６】
なお、本実施の形態で使用した基板はｃ面Ａｌ2Ｏ3（サファイア）である。また、ＭｇＢ2成膜時の基板温度は２９０℃、ＡｌＮ成膜時の基板温度は室温とした。
ＭｇＢ2成膜時の反応室１内の成膜圧力は５ｍＴｏｒｒ、Ｍｇの投入電力は３００Ｗの直流電力、Ｂの投入電力は８００Ｗの高周波電力とし、カルーセルスパッタによる基板２の回転速度は５０ｒｐｍとした。ＡｌＮ成膜時の成膜圧力は５ｍＴｏｒｒ、成膜ガスは窒素９９．９９９％、Ａｌの投入電力は２００Wの直流電力とした。また、ＮｂＮ成膜時の成膜圧力は２ｍＴｏｒｒ、成膜ガスは窒素９９．９９９％、基板回転は行わずＮｂ投入電力は７００Ｗの直流電力とした。
【００２７】
なお、上述の例では、スパッタ法の一例であるマグネトロンスパッタリングを用いて行ったがこの発明はこの方法に限定されるものではない。
【００２８】
以上の方法により作製した積層型全ＭｇＢ2超伝導薄膜をドライエッチングプロセスにより加工し、所定の形状の接合領域を得る。
図４に示すとおり、（ａ）積層型全ＭｇＢ2超伝導薄膜を作製後、（ｂ）ＡＺレジストを施し、ＲＩＥエッチング、ＥＣＲエッチングによりベースパタニングを行う。（ｃ）そして、ＲＩＥエッチング、ＥＣＲエッチングにより接合パターニングを施し、（ｄ）ＳｉＯ層を蒸着する。（ｅ）リフトオフを行い、配線層としてＮｂを成膜後、（ｆ）ＲＩＥエッチングにより配線層を形成し積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合を完成する。
なお、上述の例では、エッチング法の一例であるドライエッチングを用いて行ったがこの発明はこの方法に限定されるものではない。
【００２９】
図１（ａ）に本発明により作製した積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合表面のＡＦＭ像を図１（ｂ）にその断面像を示す。上部電極であるＭｇＢ2薄膜の表面は、非常に平坦に仕上がっていることがわかる。また、図５に示すように、上述の実施例に基づいて作製した積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合の、ＡｌＮバリアの絶縁層を０．２８ｎｍ、０．１４ｎｍ、０．０８ｎｍの３種類について作製し、各々の絶縁層の膜厚による特性評価を行ったところ、全てにおいてジョセフソン接合特有の特性を確認することができた。なお、バリア層に用いるＡｌＮのａ軸長は０．３１４４ｎｍである。従ってａ軸長０．３０８６ｎｍを持つＭｇＢ2とバリア層との格子ミスフィットは、１．９％である。よって、本発明により作製された全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合は、同じ六方晶構造を持ちａ軸長の近いＡｌＮ薄膜をバリア層に用いることにより面内配向性や結晶性が改善されることが予想される。
【００３０】
図５左はＡｌＮバリア層の膜厚が０．２８ｎｍでの特性を示す。この時、臨界電流密度は３２．５Ａ／ｃｍ2、ギャップ電圧は３．５ｍＶ、サブギャップ抵抗は２０Ω、ノーマル抵抗は５．３Ωであった。同様に、図５中はＡｌＮバリア層の膜厚が０．１４ｎｍでの特性を示す。臨界電流密度は１２０Ａ／ｃｍ2、ギャップ電圧は３．６ｍＶ、サブギャップ抵抗は５．２Ω、ノーマル抵抗は１．６Ωであった。また、図５右は、ＡｌＮバリア層の膜厚が０．０８ｎｍでの特性であり、臨界電流密度は８７５Ａ／ｃｍ2と高い値を示したが、ギャップ電圧の特性を見ることは困難であった。よって、ＡｌＮバリア層が０．１４ｎｍ付近で作成したものについて比較的良い特性が得られることがわかった。以上より、ＡｌＮバリア層を膜厚０．１４ｎｍで成膜した積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合の特性評価を行った結果を以下に示す。
【００３１】
図６に本実施例により作製した積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合の電流電圧特性を示す。接合のサイズは２０μｍ×２０μｍであり、下部電極のＭｇＢ２の膜厚は１６０ｎｍ、ＡｌＮバリア層の膜厚は０．１４ｎｍ、上部電極のＭｇＢ２の膜厚は４０ｎｍである。ＡｌＮの成膜は室温で行った。このとき臨界電流は４６０μＡであり、臨界電流密度は１１５Ａ／ｃｍ2であった。電圧がゼロと４ｍＶ付近のところでそれぞれ明瞭な超伝導電流と準粒子トンネリング電流が観測されている。３層連続成膜プロセスで作成したＭｇＢ2ＳＩＳ接合として、このようなシャープなギャップ構造を示したＩ−Ｖ特性は初めての例である。
【００３２】
図７に本実施例により作製した全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合の電流電圧特性と、ｄＩ／ｄＶ−Ｖ特性とを示す。接合のサイズは５μｍ×５μｍである。温度４．２Ｋでのギャップ電圧２Δは３．６ｍＶであった。
【００３３】
図８は本実施例により作製した積層型全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合の臨界電流の外部磁場依存性である。理想的なフランホーファパターンが得られており、良好なジョセフソントンネリングを示している。特に、ＡｌＮバリアの厚さが僅か０．1４ nm程度にもかかわらず、接合がリーク電流の小さいＩ−Ｖ特性と理想的なフランホーファパターンを示したことは表面平坦性のよいＭｇＢ2下部電極と均一なトンネル電流分布が得られていることを示唆している。ＭｇＢ2が発見されて短い間にこのような全ＭｇＢ2ＳＩＳ接合が作成されたことは、今後さらに良質なジョセフソン接合の実現が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の積層型全ＭｇＢ２ＳＩＳ接表面のＡＦＭ像である。
【図２】本発明の積層型全ＭｇＢ２ＳＩＳ接合を示す図である。
【図３】本発明の積層型全ＭｇＢ２ＳＩＳ接合に用いるカルーセルスパッタ装置の平面図を示す図である。
【図４】本発明の積層型全ＭｇＢ２ＳＩＳ接合のエッチングプロセスを示す図である。
【図５】本発明の積層型全ＭｇＢ２ＳＩＳ接合における電流電圧特性とＡｌＮバリア層との膜厚依存性を示す図である。
【図６】本発明の積層型全ＭｇＢ２ＳＩＳ接合のＡｌＮバッファ層０．１４nmにおける接合のサイズ２０μｍ ×２０μｍの電流電圧特性を示す図である。
【図７】本発明の積層型全ＭｇＢ２ＳＩＳ接合のＡｌＮバッファ層０．１４nmにおける接合のサイズ５μｍ ×５μｍのｄＩ／ｄＶ−Ｖ特性を示す図である。
【図８】本発明の積層型全ＭｇＢ２ＳＩＳ接合のＡｌＮバッファ層０．１４nmにおける接合のサイズ２０μｍ ×２０μｍの臨界電流の外部磁場依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１    反応室
２    基板
３    Ｍｇターゲット
４    Ｂターゲット
５    Ａｒガス+Ｎガスの供給パイプ
６    Ａｒガスの供給パイプ
７    イオンビームソース
８    予備室
９    ランプヒータ
１０，１１    真空ポンプ
１２，１３    ロータリポンプ
１４    Ｎｂターゲット
１５    Ａｌターゲット
Ｈ    基板ホルダ
Ｒ    ホルダ中心軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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